MAGNETISMO

MAGNETISMO

CONCEPTO
 

Es parte de la física que estudia las propiedades de los imanes. Estas propiedades lo manifiestan algunos minerales como el hierro, cobalto, níquel, acero, etc. El mineral más conocido por sus propiedades magnéticas es la magnetita (Fe₃O₄).     

Los IMANES son cuerpos que gozan de dos propiedades importantes:

1.- Atraen el hierro. En este sentido, algunas sustancias como el acero o aleaciones metálicas, se vuelven en débiles imanes permanentes cuando se colocan cerca de un imán natural durante un determinado tiempo. Entonces se dicen que las sustancias se han magnetizado.

2.- Se orientan en una determinada dirección en el espacio. Por ejemplo cuando se espolvorea limaduras de hierro cerca de un imán con forma de barra, este polvo de hierro se agrupa formando ciertas líneas.

3.- Los extremos del imán se llaman polos magnéticos o polos del imán, que es donde se concentran los efectos magneticos externos del imán, son ahí donde existen mayor acumulación de limaduras de hierro.

La concentración de estos polos en el imán recto.se encuentran a una distancia de los extremos del imán, equivalente a 1/12 de la longitud del imán.

El polo que se orienta hacia el norte geográfico se llama polo norte magnéticos(N), el otro se llama polo sur magnéticos(S) y la parte intermedia se llama zona neutra.

Si se tiene una varilla de hierro magnetizada y se le suspende por un hilo en su parte central, tiende a alinearse con la dirección norte-sur; de esto se puede entender también a la brújula ordinaria, cuya aguja no es más que un trozo de hierro magnetizado.

(a) Una varilla de imán está suspendida por su parte central y tiende a permanecer en reposo en una dirección norte-sur  (b) Imagen de una brújula.

4.- Los polos del mismo tipo se repelen y los de tipo distinto se atraen.

5.- Una corriente eléctrica origina un campo magnético en el espacio que le rodea, y esta acción sobre los objetos a los cuales afecta se produce sin necesidad de tocarlos.

En el siguiente gráfico se muestra el caso donde una corriente eléctrica fluye a través de un alambre conductor, el cual corta perpendicularmente un plano, en este caso un papel, sobre el cual se ha espolvoreado limaduras de hierro que se orientan siguiendo trayectorias circulares concéntricas. A estas trayectorias geométricas se les llaman "líneas de inducción magnéticas", cuales representan de forma gráfica al campo magnético que rodea al alambre conductor.

Pérdida de las propiedades magnéticas


Un imán puede perder sus propiedades magnéticas debido a dos razones:

1.- Cuando es calentado hasta alcanzar una temperatura determinada, cual es.conocida con el nombre de temperatura de Curie.

 

Hierro...750^oC
Ferrita...218^oC
Níquel...350^oC

2.- Cuando se golpea, puesto que eso puede producir un desorden molecular.




Inseparabilidad de los polos


Si se corta un imán en dos partes, cada una de las porciones que se obtienen constituyen un nuevo imán, y eso quiere decir con su respectivo polo norte y polo sur. Y este suceso puede continuar hasta llegar al nivel molecular, de tal modo que una molécula con polaridad magnética viene a llamarse imán molecular.

En las teorías atómicas de la materia y la mecánica cuántica, se asevera que pas corrientes microscópicas existen y están asociadas al movimiento de los electrones alrededor del núcleo del átomo yal spin del electrón, lo que quiere decir a un tipo de rotación del electrón sobre su propio eje.

 

LEYES DEL MAGNETISMO


Ley cualitativa


Los polos magnéticos externos, del mismo nombre se repelen y los de nombre diferentes se atraen.

Ley cuantitativa


Las fuerzas desarrolladas entre polos magnéticos son directamente al producto de las intensidades de los polos magnéticos e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que los separa.

Donde:

F :  Fuerza de atracción o repulsión magnética.
K : Constante, cuyo valor depende del sistema de unidades.

μ  : Permeabilidad magnética. No posee unidades y su valor depende del medio donde están situados los polos magnéticos.

m : Intensidad de los polos magnéticos o masa magnética.
d  : Distancia de separación entre polos magnéticos externos.

Unidades:

Constante magnética ( μo )



El coeficiente "K" en el Sistema Internacional se puede escribir así:

La magnitud μ_o se denomina constante magnética y su valor es:

Unidad de Intensidad de Polo Magnético


Amper x metro (A.m):

En el Sistema Internacional se define como la masa magnética que actuando sobre otra igual en el vacío y a un metro de distancia se repelen con una fuerza de 10^-7N.

                                             [masa magnética]=[A.m]

La permeabilidad magnética en el vacío es igual a la unidad (μ=1) y que en el aire posee aproximadamente el mismo valor.

                                                                         

CAMPO MAGNÉTICO     

CONCEPTO

Es una propiedad de la materia como consecuencia de las cargas eléctricas en movimiento (corriente eléctrica). El campo magnético es el lugar geométrico donde el imán hace sentir sus efectos magnéticos  sobre otro cuerpo con masa magnética o sobre cargas eléctricas en movimiento. En ese sentido el campo magnético ejerce su fuerza (F).

Cabe destacar que el campo magnético es un campo vectorial, por tanto una cantidad vectorial asociada con cada punto del espacio. Para representar el campo magnético se utiliza el símbolo B.


LÍNEAS DE FUERZA


Se les denomina a aquellas líneas geométricas que sirven para representar de forma gráfica el campo magnético. En un imán las líneas de fuerza salen del polo norte (N) e ingresan al polo sur (S), esto último hecho por convención.

  La fuerza magnética F que actúa sobre una carga positiva q que se mueve con velocidad v es perpendicular al campo magnético B como a v. La fuerza es mayor cuando v y B son perpendiculares.

a) Dada una carga que se mueve en forma paralela al campo magnético experimenta una fuerza magnética igual a cero.

b) Si una carga se mueve con un ángulo θ con respecto a un campo magnético,  experimentará una fuerza magnética con magnitud 

Obsérvese que F es perpendicular al plano que contiene

c) Si una carga se mueve de forma perpendicular a un campo magnético, experimentará una fuerza magnética máxima con magnitud

Cálculo de la dirección de la fuerza magnética sobre una partícula cargada en movimiento.

a) Regla de la mano derecha para la dirección de la fuerza magnética sobre una carga positiva que se mueve en un campo magnético:

- Colocar los v y B de tal manera que vayan unidos a sus orígenes.

- Imaginar que se gira v hacia B en el plano v-B.

- La fuerza actúa a lo largo de una línea perpendicular al plano v-B. Enrrollar los dedos de la mano derecha en torno a la línea. Con ello el pulgar apunta en la dirección que actúa la fuerza.

 

b) Si la carga es negativa, entonces la dirección de la fuerza es opuesta a la que se hizo con la regla de la mano derecha.

La unidad del sistema internacional para B es equivalente a 1 N.s/c.m, debido a que un ampere es un Coulomb por segundo (1 A= 1C/s), 1N/A.m. A esta unidad se le denomina tesla(T):

1 tesla = 1 T = 1N

*Los instrumentos que se usan para medir los campos magnéticos, algunas veces se les llaman gausímetros. Un gauss( 1G = 10^-4

T) es otra unidad de B que también es de uso común.

* El campo magnético de la tierra es aproximadamente 10^-4T, es decir, 1G.

* En el interior de los átomos hay campos magnéticos del orden de 10T, los que son de gran importancia en el análisis de los espectros atómicos.

* Es probable que el campo magnético en la superficie de una estrella de neutrones es de unos 10⁸ T.

INTENSIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO (H)


Es una magnitud física vectorial que sirve para describir el campo magnético. Su valor se define como la fuerza resultante magnética que actúa por cada unidad de masa magnética en un punto del campo magnético.

El vector Intensidad del campo magnético tiene la misma dirección y sentido de la fuerza resultante magnética.

Donde:

M: Masa magnética Norte o Sur, creadora del campo magnético.

m: Masa magnética Norte, detectora del campo magnético.

De la Ley Cuantitativa se reemplaza el valor de la fuerza y se obtiene:

Representación de la intensidad del campo magnético:


La tangente a la línea de fuerza magnética tiene la misma dirección del vector Intensidad del campo magnético en ese punto y es único, por tanto, las líneas de fuerzas no se cortan.

 

H₁ : debido al polo norte

H₂ : debido al polo sur

m_o : masa magnética Norte de prueba.

H = H₁ + H₂

En el caso de un imán sus masas magnéticas norte y sur son iguales.

Mnorte = Msur = M

Par de fuerzas sobre un imán recto en un campo magnético externo donde se origina una fuerza sobre el polo norte y otra sobre el polo sur, de igual magnitud y de sentidos opuestos, que tienden a alinearse con el campo magnético uniforme externo, formando un par de fuerzas cuyo valor es igual al producto de una de las fuerzas por la distancia perpendicular entre las fuerzas.

*Cupla: Par de fuerzas.                                    Cupla = C = F.d Seno


 

FLUJO MAGNÉTICO (ϕ)

Se define como el producto de la intensidad del campo magnético H por la superficie A perpendicular a las líneas de fuerza del campo.

 

                                                   ϕ=H.A

Donde ϕ es el número de líneas de fuerza.

Si la superficie fuese inclinada con respecto a las líneas de fuerza, entonces según el gráfico:

 

ϕ =H.A.Cosθ 

Unidades:

El flujo magnético en el Sistema Internacional (S.I.) se mide en "weber". La unidad del SI para el flujo magnético es igual a la unidad del campo magnético(1T) multiplicada por la unidad de área (1m²).

Observación:

* Hay que tener en cuenta que las líneas de campo magnético nunca tienen puntos extremos, a diferencia de las líneas de campo eléctrico que comienzan y terminan en cargas eléctricas. Aunque pareciera que las líneas de campo magnético comienzan en el polo norte y terminan en el polo sur, en realidad las líneas de campo de un imán pasan por el interior de éste.


Inducción Magnética (B)

También llamado Densidad del Flujo Magnético. Es aquel vector que se emplea para escribir el campo magnético. Su valor se define como el número de líneas de fuerza que perpendicularmente atraviesa la unidad de área de una superficie situada en el campo magnético.

Si θ = 0^⁰ entonces las líneas de fuerza son perpendiculares a la superficie.

 

Permeabilidad Magnética (μ)


Es una magnitud de tipo adimensional y su valor indica el comportamiento que experimenta una sustancia cuando se encuentra situado dentro de un campo magnético externo. En ese sentido la permeabilidad magnética indica si la sustancia dispersa, concentra o no altera el campo magnético o las líneas de fuerza.

Está definido como el cociente de la inducción magnética(B) entre la intensidad del campo magnético el vacío.

Unidades:

 

1. Sustancia paramagnética (μ ≥1):

Son aquellas sustancias que estando dentro de un campo magnético concentran las líneas de fuerza débilmente o simplemente no lo alteran. Este tipo de sustancia posee permeabilidad magnética constante y ligeramente mayor o igual a la unidad. Ejemplo de ellos son el aluminio, el platino, el aire, el vacío, etc.

 

2. Sustancias diamagnéticas (μ <1):

Son aquellas sustancias que en un campo magnético externo dispersan las líneas de fuerza, magnetizándose en sentido opuesto al campo magnético inductor. Este tipo de sustancia posee permeabilidad magnética constante y menor que la unidad. Ejemplo de ellos son el antimonio, el bismuto, el agua, etc.

 

3.  Sustancia ferromagnética (μ >1):

Son aquellas sustancias que en un campo magnético externo concentran a las líneas de fuerza, magnetizándose en favor al campo magnético inductor.

Estas sustancias tienen permeabilidad magnética variable y mucho mayor que la unidad. Ejemplo de ellos son el hierro, el níquel, el cobalto, etc.


 

Ejemplos ilustrativos

1.- Una partícula de masa m y carga q ingresa a una región cuadrada, donde existe un campo magnético perpendicular a la región, con una velocidad de 18x10⁴m/s. Si q/m=0,18x10¹²C/kg. ¿Por cuál lado de la región escapa la partícula?

Si:

B=1G=10^-4 T

Tenemos que:

Al graficar la trayectoria de la partícula se obtiene:

Por tanto:

La partícula escapa por el lado GF de la región


2.- Un electrón dentro de un acelerador de partículas adquiere una energía cinética de 239,1 KeV. Entra perpendicularmente a un campo magnético uniforme de 0,4T¿Cuál es el radio(en nm) de la trayectoria circular resultante?

me = 9,1x10^-31kg

Sabiendo que:

Se sabe que:

1ev= 1,16 x 10^-19 J

B = 0,4 T

E_c = 239,1 Kev

Resolviendo

Además tenemos que:

El radio de la trayectoria circular resultante es 4,1 mm


3.- El imán se encuentra atado mediante una cuerda ab desde uno de sus polos magnéticos. La intensidad de cada polo del imán es igual a 3A.m y su peso es W=24N. Si el sistema se encuentra dentro de un campo magnético externo, uniforme y horizontal de Intensidad H=4(A/m) y la figura muestra un imán recto en equilibrio. Hallar el ángulo α que define la posición de equilibrio.

Al aplicar la segunda condición de equilibrio con respecto al punto A.

 

4.- Hallar la intensidad del campo magnético creado por un imán recto en los puntos de la circunferencia mostrada. La distancia de separación entre los polos magnéticos es “2a”, y las masas magnéticas de los polos norte y sur son iguales a “m”. El valor de la intensidad magnética debe estar expresada en función del ángulo θ.

De la figura se deduce que:

Por lo tanto:

NOTICIAS INTERESANTES ACERCA DEL MAGNETISMO

EL TREN MAGLEV DE JAPÓN HA ROTO EL RECORD MUNDIAL DE VELOCIDAD AL ALCANZAR LOS 603 KM/H

El tren experimental Maglev rompió records al alcanzar los 603 km/h (374 mph). Este tren hace su recorrido sobre imanes. Funciona con el principio de que cuando los imanes son puestos juntos (norte/norte) o (sur/sur), se repelen entre ellos.

El Maglev (Magnetic Levitation Trains) tiene imanes en su interior y ellos son repelidos de la pista debajo que también es magnético, entonces el tren flota 10 cm por encima del suelo de tal manera que haya mucho menos fricción, es así que pueda alcanzar tan altas velocidades.

 
BBC (April 21, 2015). newsbeat. Japan's Maglev: Slower than a bullet, faster than wind. Disponible en http://www.bbc.co.uk/newsbeat/article/32393166/japans-maglev-slower-than-a-bullet-faster-than-wind